KR101091645B1 - 도플러 편이 추정장치 및 도플러 편이 추정방법 - Google Patents

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Abstract

도플러 편이를 추정하는 장치 및 그 방법이 개시된다. 보다 상세하게는 본 발명은, 수중에서의 피사체 탐지를 위해 초음파를 이용하는 경우 도플러 편이를 탐지하기 위한 장치로서, 제1 및 제2 선형 주파수 변조(LMF, Linear Modulation Frequency) 신호를 생성하는 신호 생성부와, 신호 생성부에서 생성되는 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 입력받아 초음파 신호로 변환하여 피사체로 방사하고 피사체에 의해 반사된 초음파 신호를 수신하여 제1 및 제2 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서부와, 트랜스듀서에서 변환된 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 산출하여 미리 결정된 기준값과 비교하는 신호 처리부 및 제1 및 제2 전기적 신호의 전력이 최대값을 갖는 시점을 탐지하는 피크타임 탐지부를 포함하는 도플러 편이 추정장치 및 이를 이용하는 도플러 편이 추정방법에 관한 것이다.
Figure R1020090132596
수중탐지, 도플러 편이, 선형 주파수 변조, 정합필터

Description

도플러 편이 추정장치 및 도플러 편이 추정방법{Apparatus and Method for Estimating Doppler Shift}
본 발명은 수중에서 초음파를 이용하여 물체를 탐지하는 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 본 발명은, 수중의 해류와 수중물체와의 이동에 따른 상대속도의 차이로 초음파 수신신호에 도플러 편이가 발생하여 거리 추정에 왜곡이 발생하는 것을 극복하기 위한 도플러 편이를 추정장치 및 도플러 편이를 추정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수중에는 많은 부유물이 존재하여 이에 따른 해수의 높은 탁도로 인하여 가시거리가 수십cm정도 밖에 안된다. 따라서, 광학 카메라와 같은 영상을 이용하여 수중에 물체가 있는지 여부를 탐지하는 것이 쉽지 않다. 특히 우리나라의 남해안과 서해안에서는 해수의 높은 탁도로 인하여 광학영상을 이용하여 수중의 물체를 탐지하는 것은 거의 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 수중에서는 일반적으로 초음파 신호를 이용하여 수중의 물체를 탐지한다.
초음파 신호를 이용하여 수중의 물체를 탐지하는 방법은 송신 트랜스듀서를 통하여 특정 형식을 갖는 신호를 송신한 후 전파되는 신호가 수중물체에 의해서 반 사되면, 수신 트랜스듀서가 반사된 신호를 수신하여 수중물체를 탐지하는 능동형 수중물체 탐지 방법과 수중의 물체가 발생하는 소음을 수신 트랜스듀서를 통하여 수신하여 수중물체를 탐지하는 수동형 수중물체 탐지 방법으로 나뉜다. 본 발명은 이중 능동형 수중물체 탐지 방법에 관한 것이다.
능동형 수중물체 탐지방법에서 물체탐지를 위해 송신하는 신호는 단일주파수 성분을 갖으면서 일정 길이의 펄스폭을 갖는 CW (Continuous Wave) 신호를 사용하는 방법, 여러주파수 성분을 시간에 따라 변화시키면서 일정 길이의 펄스폭을 갖는 선형 주파수 변조(LFM, Linear Frequency Modulation) 신호를 사용하는 방법 및 자기상관 특성이 좋은 디지털 신호열을 송신하는 방법 등이 있다. CW 신호를 이용하는 경우, 송신신호의 주파수를 정확하게 알고 있기 때문에, 수중물체와의 상대적 이동 속도차 및 해류등의 수중환경에 의해 수신신호에서 발생하는 도플러 편이의 양을 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있으나, 신호의 폭 길이만큼의 분해능(수중 물체가 서로 다른 거리에 있다고 판단하는 최소의 거리)을 가져 반사신호의 신호 대 잡음비(SNR)를 높이기 위하여 신호의 폭이 커지는 경우에 탐지성능이 떨어지는 단점이 있다.
한편, 선형 주파수 변조 신호를 이용하는 경우, 반사신호의 신호 대 잡음비를 높이기 위하여 신호의 폭을 길게하는 경우에도 탐지의 분해능이 유지되고, CW 신호를 사용하는 것보다 매우 우수한 분해능을 갖는 장점이 있으며, 수신신호에 도플러 편이가 발생하여도 신호의 품질의 변화가 CW 신호의 경우에 비하여 상대적으로 작아 도플러 편이에 강인한 특성이 있다.
그러나, 선형 주파수 변조 신호를 사용하는 경우에는 도플러 편이에 의하여 수중물체와의 거리 계산에 오류가 발생한다는 문제가 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 관점으로부터, 본 발명은 선형 주파수 변조 신호를 송신하여 수중물체에 반사되어 수신되는 신호를 이용하여 수중물체와의 거리를 계산하는 능동형 수중물체 탐지방법에서 해류 및 수중물체와 탐지장치와의 상대적 속도차이에 의해 발생하는 도플러 편이에 의해 발생하는 거리추정의 오차를 보상할 수 있는 도플러 편이 추정장치 및 도플러 편이 추정 방법을 제공하는 것을 제1 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 두 개의 선형 주파수 변조 신호를 이용하고, 수중으로부터 수신된 신호의 전력을 미리 결정된 기준값과 비교하는 것에 의해서 수중물체가 존재하는 경우에만 도플러 편이를 추정하는 도플러 편이 추정장치 및 도플러 편이 추정 방법을 제공하는 것을 제2 기술적 과제로 한다.
그러나, 본 발명의 기술적 과제는 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 도플러 편이 추정장치는, 제1 및 제2 선형 주파수 변조(LMF, Linear Modulation Frequency) 신호를 생성하는 신호 생성부와, 상기 신호 생성부에서 생성되는 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 변환하여 피사체로 방사하고 상기 피사체에 의해 반사되는 신호를 수신 하여 제1 및 제2 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서부와, 상기 트랜스듀서부에서 변환되어 출력되는 제1 및 제2 전기적 신호의 전력과 미리 결정된 기준값을 비교하는 신호 처리부 및 상기 신호 처리부에서 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력과 미리 결정된 기준값을 비교한 결과를 이용하여 상기 제1 및 제2 전기적 신호가 최대 전력을 갖는 시점을 탐지하는 피크타임 탐지부를 포함한다.
여기서, 신호 생성부는 상기 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 합성하여 상기 트랜스듀서로 전송하는 주파수 합성부를 포함하는 것이 좋다.
또한, 상기 신호 생성부에서 생성되는 상기 제1 선형 주파수 변조 신호는 시간에 따라 주파수가 증가하는 신호이고 상기 제2 선형 주파수 변조 신호는 시간에 따라 주파수가 감소하는 신호인 것이 좋다.
그리고, 상기 트랜스듀서부는 상기 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 초음파 신호로 변환하여 상기 피사체로 방사하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 신호 처리부는 상기 제1 및 제2 전기적 신호를 최대 신호 대 잡음비에서 검출하기 위해 필터링하는 정합필터부를 포함하는 것도 좋다.
그리고, 상기 정합필터부는 상기 제1 전기적 신호를 필터링하는 제1 정합필터와 상기 제2 전기적 신호를 필터링 하는 제2 정합필터를 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 신호 처리부는 상기 정합필터부에서 필터링 된 제1 전기적 신호를 입력받아 전력을 산출하는 제1 전력 산출부 및 상기 정합필터부에서 필터링 된 제2 전기적 신호를 입력받아 전력을 산출하는 제2 전력 산출부를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
그리고, 상기 신호 처리부는 상기 제1 전력 산출부에서 산출된 상기 제1 전기적 신호의 전력과 상기 제2 전력 산출부에서 산출된 상기 제2 전기적 신호의 전력을 합성하는 전력 합성부를 더 포함하는 것이 좋다.
여기서, 상기 신호 처리부는 상기 전력 합성부에서 합성된 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 상기 미리 설정된 기준값과 비교하는 전력 비교부를 더 포함하는 것도 좋다. 그리고, 상기 전력 비교부는 상기 기준값을 임의로 가변할 수 있도록 제어되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 신호 처리부는 상기 전력 합성부에서 합성된 상기 제1 및 제2 전기적 신호가 상기 전력 비교부에서 상기 미리 결정된 기준값 이하로 판정되는 경우 상기 피크 타임 탐지부가 상기 제1 및 제 2 전기적 신호의 전력이 최대값을 갖는 시점을 탐지하는 것을 차단하는 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 신호 처리부는 상기 전력 비교부에서 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력과 상기 미리 결정된 기준값이 비교되는 동안 상기 제1 전력 산출부에 입력되는 상기 제1 전기적 신호와 상기 제2 전력 산출부에 입력되는 상기 제2 전기적 신호를 수신하고 시간 지연하여 상기 피크타임 탐지부로 전송하는 딜레이부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 딜레이부는 상기 제1 전기적 신호를 시간 지연하는 제1 딜레이와 상기 제2 전기적 신호를 시간 지연하는 제2 딜레이를 구비하는 것이 좋다.
또한, 상기 피크타임 탐지부는 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력이 최대값을 갖는 시점의 시간차와 미리 정해진 연산절차를 이용하여 도플러 편이 정도를 연산하는 연산 처리부를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 도플러 편이 추정방법은, (a) 제1 및 제2 선형 주파수 변조(LMF, Linear Modulation Frequency) 신호를 생성하는 단계와, (b) 상기 1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 변환하여 피사체로 방사하고 상기 피사체에 의해 반사되는 신호를 수신하여 제1 및 제2 전기적 신호로 변환하는 단계와, (c) 상기 (b)단계에서 변환된 제1 및 제2 전기적 신호의 전력과 미리 결정된 기준값을 비교하는 단계 및 (d) 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력과 미리 결정된 기준값을 비교한 결과를 이용하여 상기 제1 및 제2 전기적 신호가 최대 전력을 갖는 시점을 탐지하는 단계를 포함한다.
상기 (a)단계는, (a1) 상기 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 생성한 후 상기 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 합성하는 단계를 포함하는 것도 좋다.
또한, 상기 (a)단계에서 생성되는 상기 제1 선형 주파수 변조 신호는 시간에 따라 주파수가 증가하는 신호이고 상기 제2 선형 주파수 변조 신호는 시간에 따라 주파수가 감소하는 신호인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 (b)단계에서, 상기 1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 초음파 신호로 변환하여 상기 피사체로 방사하는 것이 바람직하다. 이는 특히 도플러 편이 추정장치 및 방법을 수중에서 사용하기 위해서는 초음파 신호가 적합하기 때문이다.
그리고, 상기 (c)단계는, (c1) 상기 (b)단계에서 변환된 상기 제1 및 제2 전기적 신호를 최대 신호 대 잡음비에서 검출하기 위해 필터링 하는 단계가 시행된 이후에 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 산출하는 것이 좋다.
또한, 상기 (c)단계는, (c2) 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 산출한 후 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 합성하는 단계를 거쳐 상기 미리 결정된 기준값과 비교되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (c)단계는, (c3) 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력이 상기 미리 결정된 기준값 이하인 경우 상기 (d) 단계가 시행되는 것을 차단하는 단계를 포함하는 것도 바람직하다.
그리고, 상기 (d)단계는, (d1) 상기 (d)단계에 탐지된 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력이 최대값을 갖는 시점의 시간차를 이용하여 도플러 편이 정도를 연산하는 단계를 포함하는 것이 좋을 것이다.
본 명세서를 통해 기술되는 내용에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따르면 수중물체 탐지방법에서 해류 및 수중물체와 탐지장치와의 상대적 속도차이에 의해 발생하는 도플러 편이에 의해 발생하는 거리추정의 오차를 보상할 수 있도록 도플러편이를 추정함으로써 정확한 거리추정이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 수신된 신호의 전력을 미리 결정된 기준값과 비교하므로 수중에 물체가 존재하는지 여부까지 탐지할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명은 선형 주파수 변조 신호를 이용하므로, 반사되어 수신되는 신호가 높은 신호 대 잡음비를 유지하고, 우수한 분해능을 갖는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 여기의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소에 바로 연결될 수도 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있음을 의미한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치(100)는 신호 생성부(10), 트랜스듀서부(20), 신호 처리부(30), 피크타임 탐지부(40) 및 연산 처리부(50)를 포함한다.
신호 생성부(10)는 제1 및 제2 선형 주파수 변조(LMF, Linear Modulation Frequency) 신호를 생성한다. 여기서 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호는 한정된 주파수 범위 내에서 주파수가 시간상 선형적으로 변화하고 근사적으로 일정한 진폭을 갖는 신호이다. 이를 통상 쳐프(chirp)신호라고 한다. 신호 생성부(10)에서 생성되는 제1 선형 주파수 변조 신호(A1)는 시간과 함께 주파수가 증가하는 신호(업-쳐프 신호)이며, 제2 선형 주파수 변조 신호(A2)는 시간과 함께 주파수가 감소하는 신호(다운-쳐프 신호)이다. 이들 쳐프 신호는 원하는 주파수 대역 내에서 주파수가 변화한다는 특성과 움직이는 수중물체에 의한 도플러 편이가 발생하더라도 수중물체를 잘 탐지할 수 있는 특성이 있으나, 쳐프 신호는 도플러 편이 발생시 도플러 편이에 의해 수중물체와의 거리 측정에 오차가 발생하는 특징이 있다.
트랜스듀서부(20)는 전기신호를 초음파 신호로 변환하고, 초음파신호를 전기신호로 변환하는 기능을 수행한다. 구체적으로, 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호(A1+A2)를 입력받아 초음파 신호로 변환하여 피사체로 방사(A1`+A2`)한다. 이후 상기 초음파 신호가 피사체에 의해 반사되는 신호를 수신하고 수신된 신호(R1`+R2`)를 제1 및 제2 전기적 신호(R1+R2)로 변환한다. 즉, 상기 신호 생성부(10)에서 생성된 제1 선형 주파수 변조 신호에 대응하는 초음파 신호가 피사체에 의해 반사되고 이 반사되는 신호를 제1 전기적 신호로 변환한다. 제2 선형 주파수 변조 신호에도 같은 설명이 적용되므로 중복 설명을 생략한다.
신호 처리부(30)는, 상기 트랜스듀서부(20)에서 변환된 제1 및 제2 전기적 신호(R1+R2)를 수신하여 이들의 전력을 산출하여 미리 결정된 기준값과 비교한다. 신호 처리부(30)에 대한 더욱 자세한 설명은 후술하기로 한다.
피크타임 탐지부(40)는, 상기 신호 처리부(30)에서 산출된 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력이 최대값을 갖는 시점을 탐지한다. 피크타임 탐지부(40)에 대한 자세한 설명은 하기에서 신호 처리부(30)에 대한 설명과 함께 설명한다.
또한, 피크타임 탐지부(40)는 도 1에 도시된 바와 같이, 연산 처리부(50)를 포함한다.
연산 처리부(50)는, 제1 및 제2 전기적 신호의 전력이 최대값을 갖는 시점의 시간차를 이용하여 도플러 편이 정도를 연산한다. 이에 대한 상세한 설명을 후술하기로 한다.
이하에서는 우선 신호 생성부(10)에 대한 상세한 설명을 개시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치의 신호 생성부를 도시한 블록도, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치의 신호 생성부에서 발생하는 신호들에 대한 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 신호 생성부(10)는 LFM1 생성부(11), LFM2 생성부(12), 주파수 합성부(13)를 포함한다.
LFM1 생성부(11)는, 제1 선형 주파수 변조 신호(LFM, Linear Frequency Modulation)를 생성한다. 제1 선형 주파수 변조 신호(A1)는 도 2b의 (A)에 도시된 바와 같이 주파수가 시간과 함께 선형적으로 증가하고 일정한 진폭을 갖는 신호이다.
LFM2 생성부(12)는, 제2 선형 주파수 변조 신호(LFM, Linear Frequency Modulation)를 생성한다. 제2 선형 주파수 변조 신호(A2)는 도 2b의 (B)에 도시된 바와 같이 주파수가 시간과 함께 선형적으로 증가하고 일정한 진폭을 갖는 신호이다.
주파수 합성부(13)는, LFM1 생성부(11)에서 생성된 제1 선형 주파수 변조 신호(A1)와 LFM2 생성부(12)에서 생성된 제2 선형 주파수 변조 신호(A2)를 입력받아 합성한다. 주파수 합성부(13)에서 합성된 신호(A1+A2)는 도 2b의 (C)에 도시된 바 와 같다.
이와 같이, 주파수 합성부(13)에서 합성된 신호(A1+A2)는 상술한 트랜스듀서부(20)로 전송되어 트랜스듀서부(20)에서 초음파 신호로 변환되어 수중으로 방사된다.
이하에서는 트랜스듀서부(20)에서 방사된 초음파 신호가 수중의 물체에 의해 반사되어 돌아오는 수신 신호를 수신하는 도플러 편이 추정장치의 수신단인 신호 처리부에 대한 설명을 개시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치의 신호 처리부에 관해 도시한 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 신호 처리부(30)는, 제1 정합필터(31), 제2 정합필터(32), 제1 전력 산출부(33), 제2 전력 산출부(34), 전력 합성부(35), 전력 비교부(36), 제1 딜레이(37), 제2 딜레이(38) 및 스위칭부(39)를 포함한다.
제1 정합필터(31)는, 상술한 트랜스듀서부에서 변환된 제1 및 제2 전기적 신호(도 1의 20 및 R1 +R2 참조)를 입력받아 필터링 한다. 제1 정합필터(31)는 백색잡음환경에서 도플러 편이가 없을 때 상기 제1 선형 주파수 변조신호에 의해 반사된 수신 신호의 필터 출력의 신호 대 잡음비가 최대가 되게 하는 필터이다.
제2 정합필터(32)는, 상술한 트랜스듀서부에서 변환된 제1 및 제2 전기적 신호(도 1의 20 및 R1 +R2 참조)를 입력받아 필터링 한다. 제2 정합필터(32)는 백색잡음환경에서 도플러 편이가 없을 때 상기 제 2선형 주파수 변조신호에 의해 반사된 수신 신호의 필터 출력의 신호 대 잡음비가 최대가 되게 하는 필터이다.
제1 전력 산출부(33)는 제1 정합필터(31)에서 필터링 되어 출력되는 전기적 신호의 전력을 산출한다.
제2 전력 산출부(34)는 제2 정합필터(32)에서 필터링 되어 출력되는 전기적 신호 의 전력을 산출한다.
전력 합성부(35)는 제1 전력 산출부(33) 및 제2 전력 산출부(34)에서 산출된 제1 전기적 신호(R1)와 제2 전기적 신호(R2)의 전력을 합성한다.
전력 비교부(36)는 전력 합성부(35)에서 합성된 제1 전기적 신호와 제2 전기적 신호의 합성 전력을 미리 결정된 기준값과 비교한다. 여기서 미리 결정된 기준값은 문턱값(Threshold Level)로서 일정한 값을 의미한다. 다만, 상기 기준값은 수중 상황을 고려하여 인위적으로 변경하는 것도 가능하다.
제1 딜레이(37)는 제1 전력 산출부(33)에서 출력되는 제1 전력(P1)을 입력받아 일정 시간 지연시킨 후 후술할 스위칭부(39)로 출력한다. 이는 전력 비교부(36)에서 제1 전력(P1)와 제2 전력 신호(P2)의 합성 전력이 상술한 기준값과 비교되는 데 걸리는 처리시간을 보상하기 위한 것이다.
제2 딜레이(38)는 제2 전력 산출부(34)에서 출력되는 제2 전력 신호(P2)를 입력받아 일정 시간 지연시킨 후 후술할 스위칭부(39)로 출력한다. 제2 딜레이부(38) 또한 제1 딜레이부(37)과 같이 시간 지연을 위해 구비되는 것이다.
스위칭부(39)는 상기 전력 비교부(36)에서 제1 전력 신호(P1)와 제2 전력 신호(P2)의 합성 전력이 기준값 이하인 경우에 제1 딜레이(37)에서 출력되는 제1 전력 신호(P1) 및 제2 딜레이(38)에서 출력되는 제2 전력 신호(P2)의 진행을 차단하 도록 작동한다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 편이 추정장치의 수신단에서의 동작에 대한 상세한 설명과 함께 도플러 편이를 추정하는 과정에 대한 상세한 설명을 개시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치의 수신단을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 도플러 편이 추정장치는, 트랜스듀서(20), 제1 정합필터(31), 제2 정합필터(32), 제1 전력 산출부(33), 제2 전력 산출부(34), 전력 합성기(35), 제1 딜레이(37), 제2 딜레이(38), 전력 비교기(55), 제1 스위치(44), 제2 스위치(45), 제1 피크타임 탐지기(41), 제2 피크타임 탐지기(42) 및 연산기(50)를 포함한다.
여기서, 제1 피크타임 탐지기(41), 제2 피크타임 탐지기(42) 및 연산기(50) 이외의 것은 본 명세서에서 대응되는 요소로서 설명된 바 있어 중복설명을 생략한다.
제1 피크타임 탐지기(41)는 제1 딜레이(37)에서 출력되는 제1 전력 신호(P1)를 입력받아 제1 전력 신호의 시간에 따른 전력 추이를 탐지하여 최대 전력이 발생되는 시점을 검출한다.
제2 피크타임 탐지기(42)는 제2 딜레이(38)에서 출력되는 제2 전력 신호(P2)를 입력받아 제2 전력 신호의 시간에 따른 전력 추이를 탐지하여 최대 전력이 발생되는 시점을 검출한다.
연산기(50)은, 제1 피크타임 탐지기(41)와 제2 피크타임 탐지기(42)에서 출력되는 제1 전력 신호(P1)의 발생시점과 제2 전력 신호(P2)의 최대 전력 발생 시점을 입력받아 도플러 편이를 계산한다.
여기서, 제1 및 제2 딜레이 출력 전력 및 제 1 및 제2 피크타임 탐지기 에 대한 설명을 도플러 편이가 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어 설명한다.
도 5a는 도플러 편이가 존재하지 않는 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 전력 분포를 도시한 그래프이다.
도 5a에서 도시된 바와 같이, 도플러 편이가 존재하지 않는 경우에는, 제1 피크타임 탐지기(41)와 제2 피크타임 탐지기(42)에서 제1 전력 신호(P1)의 최대 출력값 시점과 제2 전력 신호(P2)의 최대 출력값 시점은 동일 시점을 갖는다. 따라서, 연산기(50)에 입력되는 제1 전력 신호(P1)와 제2 전력 신호(P2)의 최대값 시점은 중첩된다.
도 5b는 양의 도플러 편이가 존재하는 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 전력 분포를 도시한 그래프이다.
도 5b에서 도시된 바와 같이, 양(+)의 도플러 편이가 존재하는 경우(수중물체가 도플러 편이 추정장치에서 가까워지는 경우)에는, 제1 피크타임 탐지기(41)에서 출력되는 제1 전력 신호(P1)의 최대값 시점이 제2 피크타임 탐지기(42)에서 출력되는 제2 전력 신호(P2)의 최대값 시점보다 앞선다. 따라서, 후술하는 연산기에 입력되는 제1 전력 신호(P1)와 제2 전력 신호(P2)의 최대값 시점은 서로 중첩되지 않게 표시된다.
도 5c는 음의 도플러 편이가 존재하는 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 전력 분포를 도시한 그래프이다.
이는 상술한 양의 도플러 편이가 존재하는 경우와 정반대로 설명될 수 있으므로 명세서의 간략한 기재를 위하여 설명을 생략한다.
한편, 전력 비교기(55)는 전력 합성기(35)에서 합성된 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 3번 포트로 입력받아 미리 결정된 기준값과 비교한다. 전력 비교기(55)에 저장된 상기 기준값은 가변할 수 있는 것으로, 외부로부터의 제어 신호를 5번 포트에 입력받아 새로운 기준값으로 변경할 수 있다. 전력 비교기(55)는 3번 포트로 입력되는 전력이 미리 결정된 기준값 이하인 경우에는 4번 포트로 제1 및 제2 스위치(44,45)를 오픈(open)하여 제1 딜레이(37) 및 제2 딜레이(38)에서 출력되는 제1 전기적 신호 및 제2 전기적 신호가 제1 및 제2 피크타임 탐지기(41,42)로 전달되는 것을 차단한다. 따라서, 도플러 편이 정도를 추정하는 과정은 진행되지 않는다.
반대로, 전력 비교기(55)의 3번 포트로 입력되는 전력이 미리 결정된 기준값을 초과하는 경우에는 제1 및 제2 스위치(44,45)가 닫힘(close)상태를 유지하므로 도플러 편이 추정 과정이 진행된다.
이하에서는, 도플러 편이를 추정하는 과정에 대한 상세한 설명을 개시한다.
우선 도플러 현상을 이용하여 수중에 존재하는 물체의 거리를 측정하는 원리는 하기의 수학식 1로 설명된다.
[ 수학식 1]
Figure 112009081099910-pat00001
여기서, TRTT는 탐지신호 송신 후 되돌아오는 시간의 차, v는 수중에서 초음파의 전파속도, d는 탐지장치와 수중물체와의 상대적인 거리이다.
수중물체의 탐지를 정확히 하기 위하여 TRTT를 정밀하게 측정하는 것이 필요하기 때문에, 선형 주파수 변조 신호(LFM)가 이용된다. 선형 주파수 변조 신호는 수학식 2와 같이 표시된다.
[ 수학식 2]
Figure 112009081099910-pat00002
Figure 112009081099910-pat00003
여기서, A는 송신 신호의 크기를 나타내며,
Figure 112009081099910-pat00004
는 반송주파수,
Figure 112009081099910-pat00005
는 임의의 위상값,
Figure 112009081099910-pat00006
이며,
Figure 112009081099910-pat00007
는 선형 주파수 변조 신호(LFM)의 주기 T동안 변화하는 주파수 변동폭이다.
상기 수학식 2로 표현된 선형 주파수 변조 신호(LFM)의 특성 해석을 용이하게 하기 위한 분석 신호는 하기의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
[ 수학식 3]
Figure 112009081099910-pat00008
여기서, g(t)는 기저대역 복소 포락선(envelope)으로 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[ 수학식 4]
Figure 112009081099910-pat00009
상기 수학식 3과 수학식 4에서, A는 송신 신호의 크기,
Figure 112009081099910-pat00010
는 반송주파수,
Figure 112009081099910-pat00011
는 임의의 위상값,
Figure 112009081099910-pat00012
,
Figure 112009081099910-pat00013
는 선형 주파수 변조 신호(LFM)의 주기 T동안 변화하는 주파수 변동폭이다.
따라서, 상기 분석신호
Figure 112009081099910-pat00014
와 실제 전송되는 선형 주파수 변조(LFM) 신호
Figure 112009081099910-pat00015
는 다음 수학식 5와 같은 관계가 있다.
[ 수학식 5]
Figure 112009081099910-pat00016
따라서, 선형 주파수 변조(LFM)신호를 본 발명에 따른 도플러 편이 추정장치가 송신하고 수중물체에 의해 반사되어 돌아오는 수신 신호의 등가 해석 신호는 하기의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
[ 수학식 6]
Figure 112009081099910-pat00017
여기서,
Figure 112009081099910-pat00018
은 선형 주파수 변조(LFM)신호를 도플러 편이 추정장치가 송신하고, 이 신호가 수중물체에서 반사되어 돌아오는데 걸린 시간,
Figure 112009081099910-pat00019
는 도플러 편이 추정장치와 수중물체간의 상대적 속도차이 및 해류 등에 의해 발생하는 도플러주파수,는 수중물체와의 거리 및 수중물체의 송신 신호의 반사정도에 따라 변하는 상수이다.
한편, 도 4를 참조하여 상술하였듯이 도플러 편이 추정장치의 수신단에 수신되는 반사파(R1`+R2`)는 트랜스듀서(20)에 입사되어 제1 및 제2 전기적 신호(R1 + R2)를 제1 및 제2 정합필터(31,32)를 사용하여 필터링하고, 이 신호들의 출력의 크기에 의해 수중물체의 존재여부를 판단하고, 이 신호들이 나타내는 출력의 최대값 시점을 이용해 도플러 편이를 추정한다.
한편 본 발명에서 정합필터(31,32)는 두 개를 구비하며, 트랜스듀서의 출력(R1+R2)을 주파수
Figure 112009081099910-pat00020
(
Figure 112009081099910-pat00021
. 시간간격)에 의해 샘플링 한다고 가정하였 을 경우, 정합필터(31,32)의 계수는, 각각
Figure 112009081099910-pat00022
인 복소 계수를 갖는다.
이 때, 필터의 길이는
Figure 112009081099910-pat00023
으로 할 수 있다.
여기서, ceil[x]는 x보다 작지 않은 정수이다.
그리고 정합필터의 계수 계산의
Figure 112009081099910-pat00024
는 업-쳐프 신호가 입력되는 제1 정합필터 대하여 하기의 수학식 7이 이용되며, 다운-쳐프 신호가 입력되는 제2 정합필터에 대하여는 하기의 수학식 8이 이용된다.
[ 수학식 7]
Figure 112009081099910-pat00025
[ 수학식 8]
Figure 112009081099910-pat00026
제1 및 제2 정합필터(31,32)는 백색잡음환경에서 도플러 편이가 없을 때의 제1 및 제2 전기적 신호 출력의 신호 대 잡음비가 최대가 되게 하는 필터로, 송신되는 선형 주파수 변조 신호(A1 및 A2)를 시간 축에 대하여 반전시키고, 송신되는 선형 주파수 변조 신호(A1 및 A2)의 길이 T만큼 지연시킨 것이다. 즉, 제1 및 제2 정합필터(31,32)의 출력 신호는 하기의 수학식 9로 표현된다.
[ 수학식 9]
Figure 112009081099910-pat00027
여기서,
Figure 112009081099910-pat00028
는 모호성 함수(ambiguity function)로서 도플러에 의한 주파수 편이와 시간지연에 따른 함수로 하기의 수학식 10과 같이 표현된다.
[ 수학식 10]
Figure 112009081099910-pat00029
여기서,
Figure 112009081099910-pat00030
이다. 상기 수학식 10에 나타난 바와 같이, 도플러 편이에 의해 모호성 함수의 최대값이 나타나는 시점은
Figure 112009081099910-pat00031
만큼 편이 되어 나타나고, 수중물체와 도플러 편이 추정장치와의 거리측정의 오차는 모호성 함수의 최대값이 나타나는 시간 편이에 비례하는 만큼 나타난다. 그러므로, 도플러 편이에 의해 최대값이 나타나는 시점이
Figure 112009081099910-pat00032
만큼 편이 되어 나타나는 특성을 이용하여, 도플러 편이량을 다음과 같은 방법으로 추정한다.
즉, 도플러 편이를 추정하기 위해서, 시간과 함께 주파수가 상승하는 LFM 신호와 시간과 함께 주파수가 하강하는 LFM 신호를 동시에 도플러 편이 추정장치의 트랜스듀서에서 수중물체로 방사한다. 이때 주파수가 상승하는 선형 주파수 변조 신호(업-쳐프 신호)의 변화율이 라면 하강하는 선형 주파수 변조 신호(다운-쳐프 신호)의 변화율은 -를 사용할 수 있다. 즉, 도플러 편이 추정을 위하여 송신되는 신호는 다음의 수학식 11로 나타낼 수 있다.
[ 수학식 11]
Figure 112009081099910-pat00033
여기서, 상기
Figure 112009081099910-pat00034
및
Figure 112009081099910-pat00035
는,
Figure 112009081099910-pat00036
이다.
다음으로, 본 발명에 따른 도플러 편이 추정장치는 수중물체에 반사된 신호(R1`+R2`)를 수신하여, 트랜스듀서에서 수신신호(R1`+R2`)를 각각 제1 전기적 신호(R1) 및 제2 전기적 신호(R2)로 변환하고 제1 전기적 신호와 제2 전기적 신호(R1+R2)는 각 제1 정합필터 및 제2 정합필터에 통과시킨 후 제1 전력 산출부 및 제2 전력 산출부에서 전력이 산출된다. 다음으로 제1 전력 신호(P1) 및 제2 전력 신호(P2)의 전력이 문턱값(미리 결정된 기준값)이상이 되었을 때 수중물체가 존재하는 것으로 판단하고, 수중물체가 존재하는 경우에 도플러 편이량을 추정하는 과정이 진행된다. 도플러 편이는 제1 전기적 신호(R1)와 제2 전기적 신호(R2)의 출력이 최대가 되는 시점을 찾고, 업-쳐프 신호(상승 LFM 신호, R1)의 전력을
Figure 112009081099910-pat00037
라 하고, 다운-쳐프 신호(하승 LFM 신호, R12)의 전력을
Figure 112009081099910-pat00038
라 할 때, 각각의 최대가 되는 시점을 각각 라 한다. 이는 하기의 수학식 12로 표현되며, 도플러 편이는 하기의 수학식 13을 사용하여 추정한다.
[ 수학식 12]
Figure 112009081099910-pat00039
[ 수학식 13]
Figure 112009081099910-pat00040
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도플러 편이 추정방법에 대한 설명을 개시한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도플러 편이 추정방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 생성하는 단계(S10), 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 초음파 신호로 변환하여 수중으로 초음파 신호를 방사하고 수중물체에 의해 반사되어 수신되는 신호를 수신하는 단계(S20), 수신된 반사파를 제1 및 제2 전기적 신호로 변환하는 단계(S30), 제1 및 제2 전기적 신호를 정합필터를 이용하여 필터링한 후 전력을 산출하는 단계(S40), 미리 결정된 기준값과 상기 제1 및 제2 전기적 신호를 비교하는 단계(S50). 제1 및 제2 전기적 신호가 상기 기준값을 초과는 경우에 제1 및 제2 전기적 신호가 최대 전력을 갖는 시점을 탐지하는 단계(S60) 및 제1 및 제2 전기적 신호의 최대 전력 시점을 이용하여 도플러 편이 정도를 연산하는 단계(S70)를 포함한다.
여기서, S50단계에서 제1 및 제2 전기적 신호의 전력이 상기 미리 결정된 기준값 이하로 판정되는 경우에는 S60단계로의 진행을 차단하고 다시 S10단계를 수행한다. 이는 상술한 바 있지만 전력이 기준값 이하인 경우에는 수중에 물체가 존재하지 않는 것이므로 도플러 편이량을 추정할 필요가 없기 때문이다.
도플러 편이 추정방법에 대한 상세한 설명은 상술한 도플러 편이 추정장치에 관한 설명을 통해 충분히 설명되었고 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서의 내용으로부터 도플러 편이 추정방법을 이해할 수 있을 것이므로 여기서 반복하여 설명하는 것을 생략한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 사상적 범주에 속한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치를 개략적으로 도시한 블록도,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치의 신호 생성부를 도시한 블록도,
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치의 신호 생성부에서 발생하는 신호들에 대한 주파수 특성을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치의 신호 처리부에 관해 도시한 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도플러 편이 추정장치의 수신단을 도시한 도면,
도 5a는 도플러 편이가 존재하지 않는 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 전력 분포를 도시한 그래프,
도 5b는 양의 도플러 편이가 존재하는 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 전력 분포를 도시한 그래프,
도 5c는 음의 도플러 편이가 존재하는 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 전력 분포를 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도플러 편이 추정방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10:신호 생성부 20:트랜스듀서부
30:신호 처리부 40:피크타임 탐지부
50:연산 처리부 31,32:제1 및 제2 정합필터
33,34:제1 및 제2 전력 산출부 37,38:제1 및 제2 딜레이
44,45:제1 및 제2 스위치 41,42:제1 및 제2 피크타임 탐지기
35: 전력 합성부 36:전력 비교부

Claims (16)

  1. 도플러 편이 추정장치에 있어서,
    제1 및 제2 선형 주파수 변조(LMF, Linear Modulation Frequency) 신호를 생성하는 신호 생성부;
    상기 신호 생성부에서 생성되는 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 피사체로 방사하고 상기 피사체에 의해 반사되는 신호를 수신하여 제1 및 제2 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서부;
    상기 트랜스듀서부에서 변환되어 출력되는 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 산출하여 상기 산출된 전력과 미리 결정된 기준값을 비교하는 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부에서 비교한 결과를 이용하여 상기 제1 및 제2 전기적 신호가 최대 전력을 갖는 시점을 탐지하는 피크타임 탐지부를 포함하는 도플러 편이 추정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 생성부는 상기 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 합성하여 상기 트랜스듀서부로 전송하는 주파수 합성부를 포함하며, 상기 제1 선형 주파수 변조 신호는 시간에 따라 주파수가 증가하는 신호이고 상기 제2 선형 주파수 변조 신호는 시간에 따라 주파수가 감소하는 신호인 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스듀서부는 상기 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 초음파 신호로 변환하여 상기 피사체로 방사하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 제1 및 제2 전기적 신호를 최대 신호 대 잡음비에서 검출하기 위해 상기 제1 전기적 신호를 필터링하는 제1 정합필터와 상기 제2 전기적 신호를 필터링 하는 제2 정합필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 제1 정합필터부에서 필터링 된 제1 전기적 신호를 입력받아 전력을 산출하는 제1 전력 산출부; 및
    상기 제2 정합필터부에서 필터링 된 제2 전기적 신호를 입력받아 전력을 산출하는 제2 전력 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 제1 전력 산출부에서 산출된 상기 제1 전기적 신호의 전력과 상기 제2 전력 산출부에서 산출된 상기 제2 전기적 신호의 전력을 합성하는 전력 합성부를 더 포함하며, 상기 전력 합성부에서 합성된 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 상기 미리 결정된 기준값과 비교하는 전력 비교부를 더 포함하며 상기 기준값은 임의로 가변할 수 있는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 전력 합성부에서 합성된 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력이 상기 전력 비교부에서 상기 미리 결정된 기준값 이하로 판정되는 경우 상기 피크 타임 탐지부가 상기 제1 및 제 2 전기적 신호의 전력이 최대값을 갖는 시점을 탐지하는 것을 차단하는 스위칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 전력 비교부에서 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력과 상기 미리 결정된 기준값이 비교되는 동안 상기 제1 전력 산출부에 입력되는 상기 제1 전기적 신호와 상기 제2 전력 산출부에 입력되는 상기 제2 전기적 신호를 수신하고 시간 지연하여 상기 피크타임 탐지부로 전송하는 딜레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 딜레이부는 상기 제1 전기적 신호를 시간 지연하는 제1 딜레이와 상기 제2 전기적 신호를 시간 지연하는 제2 딜레이를 구비하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 피크타임 탐지부는 상기 제1 및 제2 전기적 신호가 최대 전력을 갖는 시점의 시간차를 이용하여 도플러 편이 정도를 연산하는 연산 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정장치.
  11. 도플러 편이 추정방법에 있어서,
    (a) 제1 및 제2 선형 주파수 변조(LMF, Linear Modulation Frequency) 신호를 생성하는 단계;
    (b) 상기 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 피사체로 방사하고 상기 피사체에 의해 반사되는 신호를 수신하여 제1 및 제2 전기적 신호로 변환하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계에서 변환된 제1 및 제2 전기적 신호의 전력과 미리 결정된 기준값을 비교하는 단계; 및
    (d) 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력과 미리 결정된 기준값을 비교한 결과를 이용하여 상기 제1 및 제2 전기적 신호가 최대 전력을 갖는 시점을 탐지하는 단계를 포함하는 도플러 편이 추정방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 (a)단계는,
    (a1) 상기 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 생성한 후 상기 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 생성되는 상기 제1 선형 주파수 변조 신호는 시간에 따라 주파수가 증가하는 신호이고 상기 제2 선형 주파수 변조 신호는 시간에 따라 주파수가 감소하는 신호인 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 (b)단계에서, 상기 제1 및 제2 선형 주파수 변조 신호를 초음파 신호로 변환하여 상기 피사체로 방사하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 (c)단계는
    (c1) 상기 (b)단계에서 변환된 상기 제1 및 제2 전기적 신호를 최대 신호 대 잡음비에서 검출하기 위해 필터링 하는 단계가 시행된 이후에 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 산출하는 단계;
    (c2) 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 산출한 후 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력을 합성하는 단계를 거쳐 상기 미리 결정된 기준값과 비교하는 단계; 및
    (c3) 상기 (c2)단계에서 합성된 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력이 상기 미리 결정된 기준값 이하인 경우 상기 (d) 단계가 시행되는 것을 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 (d)단계는,
    (d1) 상기 (d)단계에서 탐지된 상기 제1 및 제2 전기적 신호의 전력이 최대값을 갖는 시점의 시간차를 이용하여 도플러 편이 정도를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 추정방법.
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